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1 第二章 无机结合料 主讲人：申爱琴 张超 长安大学 公路学院

2 主要内容 石灰 2.1 粉煤灰 2.2 水泥 2.3

3 主要内容 水泥、石灰： 原材料丰富、成本低（就地取材） 耐久性好 粘结其他材料的能力强 无机结合料：气硬性 水硬性

4 4 第一节 石灰 2.1.1 原料及组成 2.1.2 水化及强度形成机理 2.1.3 技术性质及标准

5 2.1.1 原料及组成 （1）石灰原材料及烧制 用于烧制石灰的原料是富含碳酸钙的一类物质，如石灰石、白云石等。
原料及组成 （1）石灰原材料及烧制 用于烧制石灰的原料是富含碳酸钙的一类物质，如石灰石、白云石等。 加工成一定规格的原料在石灰窑中高温加热，通过化学反应，烧制成生石灰，其中的化学反应式可表示为： 烧制过程中，由于石灰窑炉温偏差或波动，造成窑内温度过高过温度偏低，温度过高时烧成过烧石灰，而偏低则烧成欠火石灰. 贝壳 石灰石 CaCO CaO+CO2 白云石

6 2.1.1 石灰产品 石灰产品种类有： ——块状生石灰 ——生石灰粉 ——熟石灰粉
石灰产品 消石灰粉 生石灰粉 生石灰块 石灰产品种类有： ——块状生石灰 ——生石灰粉 ——熟石灰粉 由于石灰仅能够在空气中在水的参与下凝结硬化，而不能在水中硬化，所以称石灰为气硬性胶凝材料.

7 2.1.2 石灰的水化及强度形成机理 石灰加水，通过水化反应由生石灰转化为熟石灰，这一过程称为石灰的消化。该过程用化学式可表示为：
石灰的水化及强度形成机理 石灰加水，通过水化反应由生石灰转化为熟石灰，这一过程称为石灰的消化。该过程用化学式可表示为： 由于过烧石灰在日后的凝结硬化滞后带来的消极影响，消化后的石灰往往要“陈伏”一段时间，用于消除过烧石灰造成的危害，陈伏时间通常大约为15d左后. CaO +H2O Ca(OH) 2+△ 石灰的消解

8 石灰的水化及强度形成机理 石灰的硬化 ——石灰的干燥结晶硬化：随着石灰中水分的蒸发损失，石灰逐渐形成结晶体，晶体状石灰的水溶性明显降低，形成晶体硬化。 ——石灰的碳酸化：石灰在水的参与下，与空气中的CO2作用，形成碳酸钙。新的产物具有显著的水不溶性，起着胶凝和硬化的作用。 Ca(OH)2 +nH2O Ca(OH)·nH2O Ca(OH)2 +H2O + CO CaCO3 +( n-1)H2O

9 2.1.3 石灰的技术性质及其标准 石灰主要技术性质 物理性质 化学性质 细 度 含 水 量 有 效 钙 镁 含 量 二 氧 化 碳 含 量
石灰的技术性质及其标准 石灰主要技术性质 物理性质 化学性质 细 度 含 水 量 有 效 钙 镁 含 量 二 氧 化 碳 含 量 残 渣 量

10 2.1.3 石灰的技术性质及其标准 石灰发挥无机胶凝效果取决于石灰中的有氧化钙和有效氧化镁，这类氧化物含量越高，石灰的质量越好；
石灰的技术性质及其标准 石灰发挥无机胶凝效果取决于石灰中的有氧化钙和有效氧化镁，这类氧化物含量越高，石灰的质量越好； 石灰中钙和镁物质并非都具有胶凝功能，只有那些游离的（独立存在的）氧化钙和氧化镁才能发挥这样的作用，所以称之为有效钙镁； 准确的有效钙镁含量可以采取化学分析的方法进行测定.

11 石灰的技术性质及其标准 石灰有效钙镁含量检测方法采用的是酸碱滴定法，也就是利用已知浓度的盐酸（HCl）与一定数量的石灰进行反应，根据反应过程中所消耗的盐酸量(ml) ，通过计算得出石灰中有效钙镁含量； 含量检测原理 反应后溶液 石灰水溶液 石灰水溶液 酸碱中和反应 酚酞指示剂 结果计算 式中：N——盐酸当量浓度； V——滴定终点盐酸消耗量（ml）; W——测定时所用石灰质量（g）; 0.028——氧化钙毫克当量.

12 2.1.3 石灰的技术性质及其标准 石灰的技术标准是根据石灰属钙质和镁质石灰两种类型加以制定；
石灰的技术性质及其标准 石灰的技术标准是根据石灰属钙质和镁质石灰两种类型加以制定； 由于钙质石灰性能优于镁质石灰，应用时优先考虑钙质石灰。 石灰在道路工程中的主要用途是用来稳定土、砂石及工业废渣（如粉煤灰、煤矸石）等材料，铺筑道路基层和底基层，即所谓的半刚性基层. 品 种 氧化镁含量(%) 类 别 生石灰 生石灰粉 消石灰粉 钙质石灰 ≤5 ≤5 ＜4 镁质石灰 ＞5 ＞5 ≥4

13 2.1.3 石灰的技术性质及其标准 道路工程用石灰技术标准 石灰 品种 项 目 钙质石灰 镁质石灰 I II III 生 石 灰
石灰的技术性质及其标准 道路工程用石灰技术标准 石灰 品种 项 目 钙质石灰 镁质石灰 I II III 生 石 灰 有效（CaO+MgO）(%) ≥ 85 80 70 75 65 残渣含量（4.75mm筛余）（%）≤ 7 11 17 10 14 20 消石 灰粉 有效（CaO+MgO）(%) ≥ 60 55 50 含水率（%） ≤ 4 细度 0.90mm方孔筛筛余 ≤ 1 0.125mm方孔筛筛余 ≤ 13 -

14 第二节 粉煤灰 2.2.1 基本概念 2.2.2 技术性质及技术要求 2.2.3 粉煤灰活性及其激发 2.2.4 粉煤灰在公路工程中的应用

15 粉煤灰组成及分类 粉煤灰是火力发电厂燃煤发电过程中排出的粉尘，根据排放方式的不同，分为干排灰和湿排灰，通过静电集灰排出的干排灰性能更好些。 静电法干排灰 火力发电厂 湿排灰

16 粉煤灰组成及分类 粉煤灰化学组成 除未燃尽的碳之外，其主要成分是SiO2、Al2O3，以及一定量的Fe203，以及少量CaO、MgO 和SO3 等，其中SiO2、Al2O3和Fe203总量通常超过80%； 粉煤灰矿物组成 70%以上属玻璃体，是粉煤灰活性物质的主要来源。 粉煤灰的形态 粉煤灰颗粒存在一些空心球体，是粉煤灰中一些性能比较活跃的部分。粉煤灰粒径通常约为1～100μm，通常在20μm以下，具有极高的比表面积，约为300～500m2/kg.

17 2.2.1 粉煤灰组成及分类 依据不同角度，如粉煤灰的主要性质、其中的氧化物含量及不同氧化物之间比例等，可将粉煤灰划分为不同类型；
粉煤灰组成及分类 依据不同角度，如粉煤灰的主要性质、其中的氧化物含量及不同氧化物之间比例等，可将粉煤灰划分为不同类型； 以烧失量和细度为指标，是目前我国划分不同类型粉煤灰的主要依据. 类型 细度（%） （45μm方孔筛） 烧失量（%） I级灰 ＜12 ＜5 II级灰 ＜20 ＜8 III级灰 ＜45 ＜15

18 2.2.2 粉煤灰技术性质及要求 粉煤灰技术性质 粒度 密度 击实 特性 抗压 强度 含水 率 烧失 量 需水 量比
粉煤灰技术性质及要求 粉煤灰技术性质 粒度 密度 击实 特性 抗压 强度 含水 率 烧失 量 需水 量比 对于湿排灰，其含水率会有很大的变化，应用时要加以控制。如道路工程控制粉煤灰含水率不应超过35%. 粉煤灰的相对密度大约在1.9~2.6之间，比相同成分的矿物要轻一些。密度的大小与其玻璃体含量和空心球体数量多少相关，玻璃体含量高，空心球体比例低，则粉煤灰的密度就高。粉煤灰密度越大，则其质量相对越好； 由于粉煤灰持水性较大，所以粉煤灰击实过程中接近最大干密度时，含水量会有一个较明显的变化。粉煤灰最大干密度比一般的土明显偏小，这与粉煤灰自身颗粒特点密切相关。所以用粉煤灰填筑路基等构造物自重有较大的减轻 在大约950℃上下，粉煤灰会产生一定数量的质量损失，称之为烧失量，该量取决于粉煤灰中未燃尽的碳的数量多少。所以烧失量越高，表明粉煤灰中有害成分碳的数量越高，工程实际应用时需要对该量加以限制. 粉煤灰细度越高，其可利用的机会越大。通常根据不同排放方式，其粒度会有一些差异，但基本状态是，0.074~2mm颗粒约占35~40%，其余为小于0.074mm的颗粒； 粉煤灰和水的混合物达到某一流动度的情况下所需的用水量，粉煤灰的需水量越小，相应的工程利用价值就越高. 由于粉煤灰颗粒间的粘聚性很低，自身的抗压强度很低，但当采用一定的加固稳定措施后，其形成的抗压强度比土要高许多，这是粉煤灰能在土木工程大量应用的一个主要原因.

19 2.2.2 粉煤灰技术性质及要求 技术要求——不同应用领域采用不同标准
粉煤灰技术性质及要求 技术要求——不同应用领域采用不同标准 用于水泥混凝土粉煤灰，根据各指标的高低不同，将粉煤灰分成三个等级，I级灰的质量最好。主要技术标准包括： 0.045mm筛余量、需水量比、烧失量、含水率、SO3和游离CaO含量，以及安定性等； 粉煤灰用于道路基层，技术要求包括：SiO2、Al2O3和Fe2O3含量不低于70%、烧失量不大于20%、比表面积大于2500cm2/g.

20 2.2.3 粉煤灰活性及其激发 活性定义： 粉煤灰活性是指在碱性条件下，粉煤灰可以与水发生化学反应，生成水硬性胶凝物质的性质；
影响粉煤灰的活性因素 影响粉煤灰活性因素众多，外因有粉煤灰排放时的热历史、粉煤灰存放条件等；内因有粉煤灰中有效氧化物含量，更重要的是粉煤灰中玻璃体结构特点。通常粉煤灰玻璃体大多以一种稳定的多聚体结构存在，其活性程度不高，需要在一定条件下才能得以释放，显示其活性效果. 活性评价方法 目前还没有一种能够全面评价粉煤灰活性方法，大多是从一个侧面说明其活性。其中包括：石灰吸收法、水泥强度比较法等.

21 2.2.3 粉煤灰活性及其激发 粉煤灰活性反应 粉煤灰活性是指在碱性条件下，粉煤灰可以发生一系列化学反应，包括离子交换反应、碳酸化反应以及火山灰反应等。其中作用效果最显著的是粉煤灰中氧化硅和氧化铝与石灰的火山灰反应，其化学反应式可表示为： 生成的产物是水硬性胶凝物质，相应显微图如下： SiO2 + xCa(OH)2 + (n-x)H2O = xCaO·SiO2·nH2O Al2O3 + xCa(OH)2 + (n-x)H2O = xCaO·Al2O3·nH2O

22 2.2.3 粉煤灰活性及其激发 影响粉煤灰的活性因素 影响粉煤灰活性因素众多，外因有粉煤灰排放时的热历史、粉煤灰存放条件等；内因有粉煤灰中有效氧化物含量，更重要的是粉煤灰中玻璃体结构特点； 活性评价方法 目前还没有一种权威性被广泛认可的评价粉煤灰活性方法，大多是从一个侧面说明其活性。其中包括：石灰吸收法、水泥强度比较法、指标综合法等.

23 2.2.3 粉煤灰活性及其激发 提高粉煤灰活性也就是提高粉煤灰参与化学反应能力的方法可以是物理方法，也可以是化学方法。这些方法的核心：
粉煤灰活性及其激发 提高粉煤灰活性也就是提高粉煤灰参与化学反应能力的方法可以是物理方法，也可以是化学方法。这些方法的核心： —— 一是充分发挥出粉煤灰已有的活性潜力，比如加大粉煤灰的细度，通过磨细过程，粉碎粗大多孔的玻璃体，解除玻璃体颗粒的粘连，使粉煤灰颗粒表面可溶物数量增加，提高参与反应能力； —— 二是通过化学方法，改变粉煤灰玻璃体结构，使阻碍粉煤灰活性的高聚合度发生解聚，降至成为聚合度较低的低聚合度玻璃体结构，因而从根本上改变粉煤灰原有性能； 激发粉煤灰活性最简单的化学方法是与石灰拌合使用，但石灰效果有限。更加有效的手段是采用化学外加剂，常用外加剂碳酸钠、无水硫酸钠.

24 2.2.3 粉煤灰活性及其激发 下图为利用碱性外加剂碳酸钠、无水硫酸钠.激 发粉煤灰活性的例子。 7d龄期改性效果对比
粉煤灰活性及其激发 下图为利用碱性外加剂碳酸钠、无水硫酸钠.激 发粉煤灰活性的例子。 28d龄期改性效果对比 7d龄期改性效果对比

25 粉煤灰在公路工程中的应用 用于水泥混凝土配合比设计，作为混凝土组成材料之一。通常大流动性或大体积混凝土、高性能路面混凝土等都必须通过掺入一定量粉煤灰来实现； 采用石灰、水泥或综合方式对粉煤灰进行稳定加固，作为路面基层或底基层材料使用。道路基层或底基层中应用粉煤灰是提高道路性能和减轻粉煤灰环境负担的一个非常有效的技术方法。通常粉煤灰以石灰粉煤灰土或石灰粉煤灰碎石形式作为路面基层材料，其中粉煤灰最大掺量可达整个基层材料的50~60%； 用于填筑路堤，大大降低道路结构自重，提高路基稳定性.

26 课堂讨论 石灰久置会带来什么问题？ 除了气硬性和水硬性的差异之外，石灰和水泥相比在胶凝过程中还有何本质上的区别？
粉煤灰是否属于所谓（无机）胶凝材料？

27 第三节 水泥 2.3.1 水泥定义及分类 2.3.2 硅酸盐水泥矿物组成及化学成分 2.3.3 硅酸盐水泥的水化及凝结硬化
27 第三节 水泥 2.3.1 水泥定义及分类 2.3.2 硅酸盐水泥矿物组成及化学成分 2.3.3 硅酸盐水泥的水化及凝结硬化 2.3.4 硅酸盐水泥的技术性质与技术标准 2.3.5 硅酸盐水泥的腐蚀与防止 2.3.6其他水泥

28 2.3.1 水泥定义及分类 水泥是重要的建筑材料之一，发展历史悠久 广泛用于公路工程及其构造物 现代交通对水泥提出了更高的要求
1824年，英国人Aspdin发明了波特兰水泥，并获得专利权，在水泥发展史上具有里程碑意义 自此胶凝材料进入了一个崭新的发展时代 广泛用于公路工程及其构造物 主要用于砂、石材料的胶结或混凝土的生产 现代交通对水泥提出了更高的要求

29 2.3.1 水泥定义及分类 定义：硅酸盐熟料、适量石膏及少量混合材共同磨细得到的一种水硬性胶凝材料 分类：按性能和用途不同，可分为：
不仅能在空气中硬化，还能更好地在水中硬化，保持并继续增长其强度 分类：按性能和用途不同，可分为： 通用水泥（大量用于一般土木工程） 专用水泥（专门用途） 特种水泥（性能突出）

30 2.3.1 水泥定义及分类 硅酸盐水泥 铝酸盐水泥 硫酸盐水泥 低热水泥 膨胀水泥 耐高温水泥 分类：按矿物组成，可分为：
按技术特性，可分为： 快硬水泥 低热水泥 膨胀水泥 耐高温水泥

31 2.3.1 水泥定义及分类 通用水泥 通用水泥分类：按混合材种类及数量进行分类 普通硅酸盐水泥 硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 复合硅酸盐水泥
矿渣硅酸盐水泥 火山灰酸盐水泥

32 2.3.1 水泥定义及分类 特种水泥分类 水化热水泥 快硬性水泥 特种 水泥 抗硫酸盐水泥 耐高温型水泥 膨胀水泥 低碱水泥

33 2.3.1 水泥定义及分类 专用水泥分类 道路水泥 专用水泥 大坝水泥 砌筑水泥

34 2.3.1 水泥定义及分类 道桥工程常用的水泥 1.硅酸盐水泥（P.I、P.II） I型，不掺混合材；II型，掺加不超过5％的混合材
2.普通硅酸盐水泥（P.O） 掺加6~15%的混合材 3.矿渣水泥（P.S） 掺加20~70%的粒化高炉矿渣 4.火山灰水泥（P.P） 掺加20~50%的火山灰质材料 5.粉煤灰水泥（P.F） 掺加20%~40%的粉煤灰

35 2.3.1 水泥定义及分类 美国ASTM标准对水泥的分类 ASTM C150 对水泥的分类 I型－普通型； IA型－普通引气型；
III型－早强型； IV型－低水化热型； IA型－普通引气型； IIA型－中等抗硫酸盐 引气型； IIIA型－早强引气型； V型－高抗硫酸盐型；

36 2.3.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分 原 料：石灰质原料 提供CaO-(C) （63-67%） 矫正原料（硅藻土、黄铁矿、矾土等）
（1）水泥原料与生料化学组成 原 料：石灰质原料 提供CaO-(C) （63-67%） 粘土质原料 提供SiO2 -(S) （21-24%） Al2O3 -(A) （11-17%） Fe2O3-(F) （2-5%） 矫正原料（硅藻土、黄铁矿、矾土等） 生料配制：确定比例、 磨细混合（干法及湿法） 生产工艺：“两磨一烧” 石灰石 ┐ 磨细　 ℃　 粘 土 ┼─── 生料───熟料┐ 铁矿粉 ┘ 石膏┘ 磨细 ————水泥成品

37 2.3.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分 （2）熟料矿物组成及特点 硅酸盐水泥熟料的矿物组成及化学成分 矿 物 组 成 化 学 组 成
常 用 缩 写 大 致 含 量（%） 硅酸三钙 3CaO·SiO2 C3S 35～65 硅酸二钙 2CaO·SiO2 C2S 10～40 铝酸三钙 3CaO·Al2O3 C3A 0～15 铁铝酸四钙 4CaO·Al2O3·Fe2O3 C4AF 5～15

38 2.3.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分 （2）熟料矿物组成及特点 硅酸盐水泥熟料主要矿物组成的特点 矿物组成 主 要 特 点 C3S
主 要 特 点 C3S 硅酸盐水泥中最主要的矿物成分，对硅酸盐水泥性质有重要影响。遇水反 应速度较快，水化热高，水化产物对水泥早期和后期强度起主要作用 C2S 硅酸盐水泥中的主要矿物成分，遇水反应速度较慢，水化热很低，水化产 物对水泥早期强度贡献较小，但对水泥后期强度起重要作用，耐化学侵蚀 性和干缩性较好 C3A 含量通常在15％以下，是四种主要矿物组成中遇水反应速度最快，水化热 最高的组分。它的含量决定水泥的凝结速度和释热量，它与为调节水泥凝 结速度而掺入的石膏形成的水化产物对水泥早期强度起一定作用。耐化学 侵蚀性差，干缩性大 C4AF 含量5-10%，遇水反应较快，水化热较高。强度较低，但对水泥抗折强度起重要作用。耐磨性、耐化学侵蚀性好，干缩性小

39 2.3.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分 （2）熟料矿物组成及特点 水化程度：C3A＞C3S＞C4AF＞C2S
强度 早期强度：C3S＞C3A＞C4AF＞C2S 后期强度：C3S~C2S＞C3A～C4AF

40 2.3.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分 （2）熟料矿物组成及特点 硅酸盐水泥熟料主要矿物组成的特点
硅酸三钙 （C3S） 硅酸二钙 （C2S） 铝酸三钙 （C3A） 铁铝酸四钙 （C4AF） 与水反应速度 中 慢 快 水化热 低 高 对强度的作用 早期 良 差 后期 优 耐化学侵蚀性 干缩性 小 大 各组分比例不同，水泥技术性质发生相应变化，可根据工程需要， 改变组分可制备不同性能的水泥。

41 2.3.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分 （3）熟料矿物结构 硅酸盐水泥是一种多种矿物的聚集体 显微镜下观察到的水泥熟料抛光薄片

42 2.3.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分 （3）熟料矿物结构
C3S---为光亮的棱角形晶体； C2S---为深色倒圆角的晶体； C3A---一般呈不规则的微晶体，如点滴状、矩形或柱状，由于反光能力弱，在反光镜下呈暗灰色，常称为黑色中间相； C4AF---呈棱柱状或圆粒状，反光能力强，在反光镜下呈亮白色，称为白色中间相。

43 2.3.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分 （3）熟料矿物结构 ①C3S结构特征 ② C2S结构特征
C3S称为阿利特或A矿，其晶体断面为六角形和棱柱形 ② C2S结构特征 C2S称为贝利特或B矿，C2S以β-C2S的形式存在 β-C2S结构具有热力学不稳定性； β-C2S结构中的钙离子具有较高活性； β-C2S结构中，杂质和稳定剂的存在提高了其结构活性； β-C2S结构中没有大的“空穴”，水化速度较慢。 具有热力学不稳定性； 结构中的钙离子具有较高活性； C3S结构中进入了Al3＋与Mg2＋离子并形成固溶体，固溶程度越高，活性越大； 结构中存在大尺寸的“空穴”，使其具有较大的水化速度。

44 2.3.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分 （3）熟料矿物结构
③C3A结构特征 C3A在900～1100℃开始形成，1100～1200℃时大量生成，且只有当化学成分Al2O3和Fe2O3的重量比大于0.64时才能形成。 ④C4AF结构特征 C4AF称为才利特或C矿。在透射光下，呈黄褐色或褐色的晶体，有很高的折射率。 结构中的铝离子、钙离子具有较高活性； 结构中存在较大的“空穴”，水化速度快。 高温时形成一种固溶体，在铝原子取代铁原子时引起晶格稳定性降低。

45 2.3.2硅酸盐水泥矿物组成及化学成分 （3）熟料矿物结构 玻璃体
水泥熟料中的重要组成部分。组成不固定，主要成分有Al2O3、Fe2O3、CaO以及少量的MgO，是熟料烧纸部分熔融时部分液相冷却时来不及结晶的结果，具有热力学不稳定性。 游离CaO及 MgO 指未与其他矿物结合的以游离状态存在的CaO、 MgO 。 形成原因：配料不当、煅烧不良。 作用及危害：少量的MgO，有利于熟料形成； MgO过量，可引起安定性不良。

46 2.3.3硅酸盐水泥的水化及凝结硬化 （1）水泥熟料单矿物的水化 ①C3S水化 水泥 + 水 发生复杂的物理化学反应
水泥 + 水 发生复杂的物理化学反应 可塑性失去，最终形成一定强度的石状体。 （1）水泥熟料单矿物的水化 ①C3S水化 常温条件下， C3S的水化反应式为： 生成物C-S-H在常温下呈胶凝状，化学组成不固定。有多种形态（箔片状、纤维状等）。X与石灰浓度、温度及W/C有关。

47 C3S水化的五个阶段 C3S水化过程 C3S的水化过程是放热过程，根据放热速率随时间的变化关系，大体上可把其水化过程分为5个阶段。 稳定期
诱导期 加速期 衰减期 稳定期 C3S水化过程 诱导前期

48 C3S水化的五个阶段 C3S的水化过程是放热过程，根据放热速率随时间的变化关系，大体上可把其水化过程分为5个阶段。

49 2.3.3硅酸盐水泥的水化及凝结硬化 （1）水泥熟料单矿物的水化 ②C2S水化 C2S的水化反应式为：
C2S的水化过程与C3S极为相似，但是C3S的水化速度比C2S高很多，约为C2S水化速度的20倍。

50 2.3.3硅酸盐水泥的水化及凝结硬化 （1）水泥熟料单矿物的水化 ③C3A水化 常温条件下，C3A在纯水中的水化反应式为：
阶段B：第二放热峰出现，水化反应重新加速； 阶段C：C3A周围形成立方状C3AH6水化物。

51 2.3.3硅酸盐水泥的水化及凝结硬化 （1）水泥熟料单矿物的水化 ③C3A水化 C3A在纯水中的水化

52 2.3.3硅酸盐水泥的水化及凝结硬化 （1）水泥熟料单矿物的水化 ③C3A水化 在有石膏、Ca(OH)2存在的条件下，C3A的水化反应式为：
三硫型水化铝酸钙（AFt钙矾石） 当石膏耗尽时： 单硫型水化铝酸钙（AFm）

53 2.3.3硅酸盐水泥的水化及凝结硬化 （1）水泥熟料单矿物的水化 ③C3A水化 在有石膏、Ca(OH)2存在的条件下，C3A的水
化过程分为4个阶段： 阶段I：C3A溶解，钙矾石(Aft)形成； 阶段II：C3A表面形成Aft包覆层，水化速率减慢； 阶段III：包覆层破裂，水化反应重新加速； 阶段IV：石膏消耗完毕，C3A与钙矾石继续反应生成单硫型铝酸钙(Afm)。

54 2.3.3硅酸盐水泥的水化及凝结硬化 （1）水泥熟料单矿物的水化 ③C3A水化 C3A在有石膏环境中的水化

55 2.3.3硅酸盐水泥的水化及凝结硬化 （1）水泥熟料单矿物的水化 ④C4AF水化
C4AF的水化反应与C3A相似，在有石膏存在时，生 成三硫型水化硫铁铝酸钙和单硫型水化硫铁铝酸钙。 水泥水化及其生成物 生 料 熟 料 水泥石 主要化学成分 主要矿物成分 主要水化产物（比例） CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 C3S C2S C3A C4AF CaSO4·2H2O 水化硅酸钙（C-S-H～70％） Ca(OH)2 （ CH～20％) 三硫型水化硫铝酸钙（AFt钙矾石～7%) 单硫型水化硫铝酸钙（AFm）

56 2.3.3硅酸盐水泥的水化及凝结硬化 （2）凝结硬化（强度形成）
研究水泥如何由塑性浆体转变成坚硬石状体？ 结晶理论：水化物过饱和结晶析出，产生强度。 胶体理论：水化C-S-H填充水泥颗粒间孔隙、不断致密。 凝结硬化：同一过程的不同阶段 水泥与水拌和后发生水化反应，各种水化产物生成，随着时间推移，水泥浆失去塑性，形成坚硬的水泥石，此过程称为凝结硬化。 凝结期---水化1h后，水化物逐渐增多，水泥浆开始失去塑性。 硬化期---水化物增多导致内部孔隙不断减小，强度增加，逐渐硬化为刚性固体，可持续很长时间，但28 天大部分强度已形成。

57 2.3.3硅酸盐水泥的水化及凝结硬化 （2）凝结硬化 凝结硬化 凝结标志着水泥浆失去塑性而具有一定的塑性强度。
硬化表示水泥浆固化后所形成的结构具有一定的机械强度。

58 2.3.3硅酸盐水泥的水化及凝结硬化 （2）凝结硬化 水泥凝结硬化过程示意图
1－水泥颗粒；2－水分；3－凝胶；4－水泥颗粒的未水化内核；5－毛细孔； 水泥凝结硬化过程示意图

59 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 （1）化学性质 性能指标 指标在使用上的意义 氧化镁
容易引起体积膨胀，水泥安定性不良的重要诱因，≤ 5.0% 三氧化硫 容易引起体积膨胀，水泥安定性不良的重要诱因， ≤ 3.5% 烧失量 煅烧不良或受潮而引起的 I型硅酸盐水泥，≤3.0%；II型， ≤ 3.5％；III型， ≤ 5.0% 不溶物 影响水泥的活性 I型硅酸盐水泥， ≤ 0.75%；II型硅酸盐水泥， ≤ 1.5% 碱 容易产生碱—集料反应，含碱量≤ 0.6%

60 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 ①细度：水泥颗粒的粗细程度 （2）物理性质 水化硬化速度（细度 ，水化 ） 强度（细度 ，强度发展 ）
水化硬化速度（细度 ，水化 ） 强度（细度 ，强度发展 ） 细度对水泥性能的影响 需水量（细度 ，需水量 ） 和易性（细度 ，和易性 ） 研究指出：水泥颗粒d<45μm，水化充分 水泥颗粒d>75μm，水化不完全

61 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 ①细度：水泥颗粒的粗细程度 （2）物理性质 不经济，磨机产量 收缩大，容易开裂，抗冻性 太细存在的问题
需水量 保管困难 活性

62 细度测试方法 干筛 水筛 负压筛 筛析法 负压筛分仪 有争议时， 以负压筛为准

63 细度测试方法 用于硅酸盐水泥 以流体力学理论为基础 根据空气通过水泥所受到的阻力计算 GB规定：
比表面积仪 用于硅酸盐水泥 以流体力学理论为基础 根据空气通过水泥所受到的阻力计算 GB规定： 硅酸盐水泥细度，比表面积>300m2/kg 其他四大水泥，80μm筛上筛余<10%

64 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 （2）物理性质 ②水泥净浆标准稠度 水 标准稠度= ×100% 水泥 凝结时间
为使水泥净浆的 具有可比性 凝结时间 安定性 标准法维卡仪 试杆 多次调试用水量 直至，30s 6mm±1mm 水 标准稠度= ×100% 水泥

65 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 （2）物理性质 ②水泥净浆标准稠度 固定用水量，测定试锥下沉深度S
代替法试锥法 标准稠度= × S 细度（细度 ，标准稠度用水量 ） 影响标准稠度的因素 水泥矿物成分（C3A需水量最大，C2S最小）

66 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 （2）物理性质 ③凝结时间 施工顺序：加水 拌合 运输 浇筑 振捣 饰面 拆模
施工顺序：加水 拌合 运输 浇筑 振捣 饰面 拆模 凝结时间：从加水开始，到失去可塑性所需的时间 对模板周转、后期工程都有重要影响 初凝：从加水到 开始失去塑性 的时间 终凝：从加水到 完全失去塑性

67 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 （2）物理性质 ③凝结时间 水泥浆初凝和终凝时间的划分 8:00 9:30 13:00

68 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 （2）物理性质 ③凝结时间 初凝用试针 终凝用试针 维卡仪 用标准稠度用水量拌合
测试方法 维卡仪 用标准稠度用水量拌合 装入试模，养护30min 每个一段时间，用标准针刺入一次 临近初凝，每隔5s刺入一次 0.5~1mm 终凝时间 4mm±1m 初凝时间

69 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 （2）物理性质 ③凝结时间 水泥品种 影响凝结时间的因素 水泥浆体含水量
T=20oC，湿度>90% 不能振动 贯入孔间距>1cm 距孔壁>1cm >1cm 注意事项 水泥品种 影响凝结时间的因素 水泥浆体含水量

70 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 实际工程中水泥砼、砂浆比净浆的凝结时间长得多 T不同，T ，凝结时间越短 （2）物理性质 ③凝结时间
GB规定： 硅酸盐水泥 初凝时间>45min 终凝时间<390min 普通水泥 初凝时间>45min 终凝时间<600min

71 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 ④体积安定性 （2）物理性质 定义：反映水泥浆体硬化后体积变形的均匀程度
任何一种水泥，水化过程中体积均会发生变化 ∵ 若 ，则产生应力 若 ，则产生裂缝、崩塌 f—MgO f—CaO SO3 影响因素

72 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 ④体积安定性 （2）物理性质 测定方法有雷氏夹法和试饼法 标准净浆装入 湿养护24h 恒沸3h
测试方法 测定方法有雷氏夹法和试饼法 雷氏夹法 标准净浆装入 湿养护24h 恒沸3h 测定指针增距 增距x>5mm，不合格

73 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 （2）物理性质 测定方法有雷氏夹法和试饼法 标准净浆制成6个试饼 湿养24h 放入蒸煮箱30min
测试方法 测定方法有雷氏夹法和试饼法 标准净浆制成6个试饼 湿养24h 放入蒸煮箱30min 恒沸3h 观察 试饼法 裂缝 弯曲 碎断

74 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 （3）强度 评价水泥质量 强度是 的重要依据 确定水泥标号 砼配合比设计
强度是 的重要依据 评价水泥质量 确定水泥标号 砼配合比设计 强度测定可将水泥制成 净浆 （不能反映对砂石的胶结力） 砂浆 （国际通用） 砼 （砂石难以统一，复杂性） GB规定：采用ISO法评定水泥的强度等级 ISO标准砂：由德国标准砂公司制备的SiO2含量不低于98%的天然的圆形硅质砂组成，湿含量小于0.2%。 中国 ISO标准砂：完全符合ISO标准砂颗粒分布和湿含量规定。可单级分包装，也可混合包装。

75 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 Ff h b L （3）强度 水泥胶砂强度检验方法（ISO ） 三分点小梁抗折强度Rf
测试方法 水泥:砂=1: 3 W/C=0.5 小梁4×4×16cm 标养至规定龄期(3d,28d) 50N/s±10N/s L Ff h b 三分点小梁抗折强度Rf

76 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 （3）强度 测试方法 取断块进行抗压强度试验 抗压强度Rc Fc 断块 2400N/s±200N/s

77 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 （3）强度 水泥型号：普通型和早强型(R) 强度等级：按规定龄期的Rc和Rf划分，按28d Rc命名
R型，3d Rc提高10~24%，达同等普通型的50% 路面尽量选用R型，减小养护，提早通车 强度等级：按规定龄期的Rc和Rf划分，按28d Rc命名

78 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 （3）强度 硅酸盐水泥的强度指标要求 强度等级 抗压强度（MPa）/不低于 抗折强度（MPa）/不低于
3d 28d 42.5 17.0 3.5 6.5 42.5R 22.0 4.0 52.5 23.0 7.0 52.5R 27.0 5.0 62.5 28.0 8.0 62.5R 32.0 5.5

79 2.3.4硅酸盐水泥的技术性质与标准 （4）技术标准 GB 175-2007规定：
硅酸盐水泥技术标准 技术 性能 细度 比表面积 (m2/kg) 凝结时间 (min) 安定性 沸煮法 不溶物 不大于/% MgO /% 不大于 SO3 烧失量 碱含量 Na2O+0.658 K2O /% 初凝 终凝 I型 II型 指标 ＞300 ≥45 ≤390 必须 合格 0.75 1.50 5.0 3.5 3.0 ≤0.60 GB 规定： 凡氧化镁、烧失量、不溶物、三氧化硫、凝结时间、安定性和强度任一指标不符合要求，即为不合格 不合格水泥严禁在工程中使用。

80 2.3.5硅酸盐水泥的腐蚀与防止 砼正常硬化，强度随时间逐渐 遭腐蚀后，强度 ，结构破坏

81 2.3.5硅酸盐水泥的腐蚀与防止 （1）淡水侵蚀—溶析性侵蚀 环境条件： 雨水、雪水及多种河水、湖水为软水（Ca2+，Mg2+浓度低）
反应过程：水泥中Ca(OH)2的溶解度大 在静水中达到饱和，腐蚀终止 低浓度Ca2+ 低浓度Mg2+ Ca2+ 在大量或流动的水中Ca(OH)2不断溶析，砼密度、强度降低 随着水泥石液相中Ca(OH)2浓度降低，导致C-S-H和C-A-H不断分解，形成低碱水化物混凝土 水泥石内部不断受到破坏，强度不断降低，最终引起整个结构物的破坏。

82 2.3.5硅酸盐水泥的腐蚀与防止 （2）硫酸盐侵蚀 环境条件：海水、沼泽、工业污水中含有碱性硫酸盐，如Na2SO4 ，MgSO4
反应过程：SO42-浓度大于1400mg/l Ca(OH)2 ＋SO42－＝ CaSO4·2H2O结晶析出 反应过程： SO42-浓度低时 CaSO4与C-A-H,生成水化硫铝酸钙，该反应在固相中进行，水化硫铝酸钙结合大量结晶 水，体积膨胀约为原C-A-H的2.5倍，产生很大的内应力。

83 2.3.5硅酸盐水泥的腐蚀与防止 （3）镁盐侵蚀 环境条件：海水、地下水中含有镁盐，如MgSO4 ，MgCl2 反应过程： 溶于水
无胶结能力

84 2.3.5硅酸盐水泥的腐蚀与防止 （4）碳酸侵蚀 环境条件：工业污水、地下水中含有二氧化碳 反应过程：
Ca(OH)2 ＋CO2+H2O → CaCO3＋H2O CaCO3＋ CO2+H2O Ca(HCO3)2 Ca(OH)2减少后，C—S—H、CAH6继续分解 溶于水

85 2.3.5硅酸盐水泥的腐蚀与防止 （5）水泥石腐蚀防止措施 合理选用水泥品种 提高水泥石的密度 敷设保护层
选用C2S含量低的水泥，可提高耐淡水腐蚀能力； 选用C3A含量低的水泥，可提高抗硫酸盐侵蚀能力。 提高水泥石的密度 敷设保护层 可在混凝土表面敷设一层耐腐蚀性强且不透水的保护层。

86 2.3.6其他水泥 道路硅酸盐水泥 掺混合材的水泥 矿渣硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥 粉煤灰硅酸盐水泥 膨胀水泥 彩色水泥

87 2.3.6其他水泥 1、道路硅酸盐水泥 C3A <5% C4AF >16%
定义：以适当成分生料烧至部分熔融，所得以硅酸钙为主要成分和较多量铁铝酸四钙的硅酸盐熟料，加入适量活性混合物和石膏磨细而成 （1）矿物成分 C3A <5% C4AF >16% 高抗折、低干缩、高耐磨

88 2.3.6其他水泥 1、道路硅酸盐水泥 （2）化学成分 （3）物理力学性质 Mg0 <5% SO3 <3.5%
碱 <0.6% 烧失量 <3% f-CaO <1~1.8% 细度： 比表面积300~450m2/kg 凝结： 初凝>1.5h，终凝<10h 安定性：合格 干缩： d 干缩率<0.1% 耐磨： d 耐磨<3.00kg/m2 强度： 表2-17

89 2.3.6其他水泥 1、道路硅酸盐水泥 （4）工程应用 ∵ 抗折强度高，耐磨，干缩小 抗冲击性好，抗冻性好，承受重载能力强
∵ 抗折强度高，耐磨，干缩小 抗冲击性好，抗冻性好，承受重载能力强 ∴ 主要 用于 道路路面 机场跑道 城市道路

90 2.3.6其他水泥 2、掺混合材的水泥 混合材= （1）矿渣水泥P·S 活性 参与水化，生成胶凝物质 硅酸盐水泥熟料+20~70%矿渣+石膏
生铁冶炼副产品，主要成分： CaO、SiO2，Al2O3，MgO 活性 参与水化，生成胶凝物质 非活性 不参与水化，可改善性能 窑灰 回收粉尘，介于活性与非活性之间

91 2.3.6其他水泥 2、掺混合材的水泥 （2）火山灰水泥P·P 硅酸盐水泥熟料+20~40%火山灰+石膏 主要成分：
以SiO2，Al2O3为主>75~85% 来源：人工烧粘土、页岩 天然火山灰、凝灰岩

92 2.3.6其他水泥 2、掺混合材的水泥 （3）粉煤灰水泥P·F 硅酸盐水泥熟料+20~40%粉煤灰+石膏 主要成分：
SiO2 31~60%，Al2O3 12~16% Fel2O3 1.4~37% ，CaO 0.7~9.6% ∵内含玻璃体，可改善和易性 邹城电厂粉煤灰

93 2.3.6其他水泥 3 膨胀水泥 （1）硅酸盐性膨胀水泥 硅酸盐水泥+铝酸盐水泥+石膏 （2）铝酸盐性膨胀水泥 高铝水泥熟料+石膏 （3）收缩补偿水泥 膨胀压力大于干缩压力，可防止干缩裂缝

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